DK172684B1

DK172684B1 - Vejeindretning med strain-gauges

Info

Publication number: DK172684B1
Application number: DK198901640A
Authority: DK
Inventors: Jean-Pierre Aumard
Original assignee: Scaime
Priority date: 1988-04-12
Filing date: 1989-04-05
Publication date: 1999-05-25
Also published as: CH675477A5; DK164089D0; EP0337953B1; DK164089A; CA1307544C; EP0337953A1; US4892163A; DE68900525D1; ES2027461T3

Description

i DK 172684 B1

Den foreliggende opfindelse angår en vejeindretning med strain gauges.

Vejeindretninger med strain gauges benævnes normalt strain gauge-vejesensorer og anvendes eksempelvis i køkken- og badevægte. De omfatter en metalstang eller -bjælke, der er indspændt ved 5 sin ene ende, hvilken stang på bestemte steder langs sin længde er forsynet med svækkede områder eller hængsler, hvor metallet er mindre tykt end andre steder. Der fastgøres strain gauges til denne stang retvinklet på de svækkede områder eller hængsler.

Blandt de ovennævnte sensorer findes de såkaldte "selvunderstottende" vejesensorer, også kaldet 10 vejesensorer med konstant moment, med strain gauges af parallelogramtypen, hvilke sensorer er forbundet med en vægtskål og er ejendommelige ved at give et signal, der er helt uafhængigt af placeringen - dvs. en eventuel forskydning - af belastningen på bakken.

De sensorer af parallelogram-typen, der er anvendt hidtil, består af fire strain gauges, som hver er 15 monteret på ét af fire hængsler på et bearbejdet testlegeme. Disse fire strain gauges er så indbyrdes elektrisk forbundet via små ledninger til dannelse af en Wheatstone-bro, hvis klemmer igen er forbundet til en strømforsyning og to måleledninger. Denne type sensorer har den ulempe, at de tager lang tid at fremstille på grund af det store antal ledninger, der kræves, og på grund af kompleksiteten af forbindelserne og sammenkoblingen af strain gauges placeret forskellige steder, 20 hvilket tilsammen medfører høje fremstillingsomkostninger. På den anden side er dette bro- amangement af strain gauges selvkompenserende og gør de konventionelle sensorer ufølsomme for forskydning af belastningen. Når belastningen er forskudt, dannes der kræfter med samme intensitet og retning i sensorens to øverste hængsler. I den konventionelle sensor måles disse kræfter på de nævnte hængsler ved hjælp af strain gauges med modsatte retninger (da de er sidestillet i Wheat-25 stone-broen) på en sådan måde, at summen af de værdier, der er måli med disse to strain gauges er lig med nul. Det samme fænomen optræder (med to modsat rettede kræfter) på de nederste hængsler.

I teorien burde selvkompensationen være perfekt. Det har dog i praksis vist sig, at en lille afsluttende justering næsten altid er nødvendig. Dette skyldes først og fremmest tre typer af mangler: Mangler ved bearbejdning af metallegemet, mangler ved positionering af strain gauges, og endelig, i mindre 30 grad, mangler i homogeniteten af det materiale, som metallegemet er fremstillet af. Der kan korrigeres for disse små mangler ved en let bearbejdningsmæssig efterbehandling af sensorens hængsler for at modificere parallelogrammets geometri.

Når der anvendes vejesensorer i masseproducerede emner, såsom køkken- og badevægte, er det 35 absolut nødvendigt at reducere fremstillingsomkostningerne så meget som muligt. Dette er årsagen DK 172684 B1 2 til, at muligheden for at reducere omkostningerne for vejesensorer med strain gauges, blev undersøgt nærmere. Det viste sig, at der kunne opnås en omkostningsreduktion ved side om side at lime to | strain gauges på to hængsler (øverste eller nederste) eller på de to hængsler nær ved den samme i ende af sensoren. Dette resulterede i en noget simplificeret limeoperation, men ledningsforingens 5 kompleksitet bibeholdes, og gevinsten blev ubetydelig.

. Under undersøgelse af andre løsninger opdagedes et større problem. Samlinger af fire strain gauges, - der allerede er indbyrdes elektrisk forbundet til dannelse af en komplet Wheatstone-bro og monteret “ på en enkelt understøtning kendes i forvejen. Denne bro limes på ét af test legemets fire hængsler og 10 reducerer dermed limeoperationen og ledningsføringen signifikant og dermed fremstillingsomkostningerne. Dette arrangement af strain gauge-broen sikrer imidlertid ikke den s selvkompensation, som gør de konventionelle sensorer med fire separate strain gauges ufølsomme 1 for forskydning af belastningen. Den følgende sammenligning viser tydeligt udfordringens omfang: ii H 15 Afvigelserne (eller fejlen) i sensorernes signal, når belastningens forskydning på bakken er fij maksimal (inden den afsluttende justering nævnt ovenfor) er som følger i

M

1. Såkaldt selvkompenserende, konventionel sensor med fire strain gauges (inden afsluttende justering): Afvigelser mindre end 0,1%.

n 20 m 2. Sensor med fire hængsler og en gruppe af fire sensorer indbyrdes forbundet i en e| Wheatstone-bro, der er monteret på én understøtning, der er placeret på ét af hængslerne:

Afvigelser på omkring 10%. ra m p 25 Fejlen i det andet tilfælde er således mindst hundrede gange større end i det første tilfælde. Det er 5 ; fantastisk meget, og det kan ikke retfærdiggøres af overvejelser omkring omkostningsreduktion.

t ττϊ : _ Det har imidlertid ved grundige analyser af problemet ganske overraskende vist sig, at det virkelig er , _ muligt at overvinde en forhindring, som tidligere havde syntes uovervindelig, og erstatte Så s= 30 Wheatstone-broen med fire separate strain gauges med en kompakt bro med fire strain gauges ~ monteret i blot et enkelt hængsel.

E· : _ Det viste sig faktisk muligt at fastslå, at den signifikante effekt, som observeredes, når belastningen v— blev forskudt, kunne korrigeres ved at skride til fjernelse af materiale ved bestemte hængsler (for at 35 forskyde den neutrale akse), andre end det hængsel, som broen med fire strain gauges er fastgjort til.

3 DK 172684 B1 » Det viste sig muligt at bestemme den eksakte mængde materiale, som der er behov for at fjerne, for at sikre en sådan korrektion, og der opnåedes følgende resultat: 5 3. En sensor med en bro med fire strain gauges på én understøtning, som er monteret retvinklet på ét af hængslerne, og med to hængsler efterbehandlet ved bearbejdning under fremstillingen (inden endelig justering): Afvigelse mindre end 0,l procent, dvs det samme som for den konventionelle sensor.

10 Dette overraskende og uventede resultat indicerer, at det er muligt i betydelig grad at nedsætte fremstillingsomkostningerne for sensoren, under den forudsætning, at der udføres en yderligere fræseoperation under fremstillingen, hvilket er simpelt og medfører ubetydelige ekstraomkostninger.

Effekten af belastningsforskydningen kan eksempelvis korrigeres ved efterbehandling af blot ét 15 andet hængsel end det, som den med flere, fx fire, strain gauges forsynede bro, er monteret på.

Det er indlysende, at nulpunktsfejl som følge af de tre ovennævnte faktorer kan korrigeres præcist på konventionel vis under kontrol- og færdigbehandlingsoperationeme.

20 Der er kun diskuteret afvigelser, som forekommer, når belastningen er forskudt langs sensorens langsgående akse, da de afvigelser, som forekommer, når belastningen forskydes langs den tværgående akse (dvs de, som har torsionsvirkning på sensoren) er identiske, uanset hvilken type sensorer, der er aktuelle, da de alle er symmetriske med hensyn til et i længderetningen orienteret vertikalplan.

25

Genstanden for den foreliggende opfindelse er en vejeindretning med strain gauges ifølge krav l.

Opfindelsen vil i det følgende blive nærmere forklaret under henvisning til tegningen, på hvilken, fig. I viser en udførelsesform set fra siden, og 30 fig. 2 udførelsesformen i fig. I set ovenfra.

Den viste indretning omfatter (på samme måde som andre kendte indretninger med strain gauges til måling afkræfter) en metalstang, der er konstrueret til at blive indspændt i den ene ende i en ramme til eksempelvis en køkken- eller badevægt, og hvis anden ende optager en bakke til understøtning af 35 belastningen.

DK 172684 B1 4

Denne stang har to gennemgående, cirkelformede huller 2 og 3, der er indbyrdes forbundet af en f spalte 4, som på simpel vis er udformet ved fraesning eller ved at bore overlappende huller. Stangen l har således fire svækkede områder 5, 6, 7 og 8, der danner hængslerne.

5

Den viste indretning afviger fra kendte indretninger ved, at den i stedet for at have fire separate strain gauges, som hver er fastgjort til én af de fire svækkede dele 5, 6, 7 og 8, er forsynet med en flerdobbelt strain gauge 9, som er fremstillet af fire separate strain gauges, der er indbyrdes elektrisk 1 forbundet til dannelse af en bro og fastgjort til en fælles understøtning, der er fastgjort på stangen.

10 Der er vist en ledning loddet til hvert hjørne af broen.

j Målingernes manglende præcision, som er et resultat af udskiftningen af fire separate strain gauges, der er arrangeret symmetrisk i forhold til et plan, med en enkelt firdobbelt strain gauge, som er fastgjort til stangen l's svækkede del 5, der tilvejebringes af hullet 2, kan bestemmes før et parti 15 produceres sammen med den mængde materiale, som det er nødvendigt at fjerne fra stangen 1 og de svækkede dele 10 og 11, som defineres af hullet 3, til præcis korrektion af manglende præcision ved * 1 målingerne.

3 Det er derfor nemt at udføre den korrektion, som kræves, under fremstillingen ved en enkelt præcis 20 fræseoperation, som derfor kun giver ubetydelige ekstraomkostninger.

Den sædvanlige, lille og afsluttende korrektion, som er nødvendig på grund af de forskellige _ mangler ved det aktuelle emne, udføres på samme måde som i forbindelse med kendte indretninger -m ved fjernelse af en meget lille mængde materiale fra hullerne 2 og 3 ved de svækkede områder 5, 6, 2 5 7 og 8 med det resultat, at der opnås nøjagtigt den samme præcision for den her beskrevne indretning som for kendte såkaldt "selvunderstøttende" vejesensorer med strain gauges af parallelogramtypen.

l Som beskrevet ovenfor kan de huller, der er tilvejebragt ved de svækkede dele 10 og 11, opnås ved ’ 30 anvendelse af konventionelle bearbejdningsteknikker, såsom fjernelse af materiale ved fraesning.

^ Der kan anvendes andre metoder til opnåelse af sådanne huller, især trækketeknikker.

m

Claims

1. Vejeindretning med strain gauges og omfattende en metalstang (1), der er beregnet til at blive indspændt i den ene ende og til at optage en vejeplatform i den anden ende, hvilken metalstang (1) på bestemte steder langs sin længde er forsynet med gennemgående huller (2 og 3), der danner svækkede dele (5, 6, 7 og 8) til tilvejebringelse af hængsler, hvilke huller er indbyrdes forbundet af en spalte (4), 10 kendetegnet ved, at indretningen omfatter en strain-gauge-enhed bestående af 4 enkelte strain-gauge's i brokobling, og som er fastgjort på stangen (1) ved den ene af de svækkede dele (5, 6, 7 og 8), og at stangen (1) har indsnit (10 og 11) der forløber retvinklet på bestemte andre svækkede områder (7, 8), hvorved disses neutrale akse forskydes, hvilke indsnit er kalibreret til at korrigere for den måleusikkerhed, som opstår når en belastning er forskudt i stangens længderetning. 15

2. Indretning ifølge krav 1, kendetegnet ved, at strain-gauge-enheden (9) er fastgjort til en svækket del (5) af stangen (1), der er dannet af ét af hullerne (2), medens indsnittene (10 og 11) er udformet i de to svækkede dele (7 og 8), der tilvejebringes af det andet hul (3). 20

3. Indretning ifølge krav I, kendetegnet ved, at der er udformet et enkelt indsnit (I I) på et andet hængsel end det, der bærer strain-gauge enheden (9). T